一种高性能防弹衣贴身层复合材料、制备方法及其应用与流程

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种高性能防弹衣贴身层复合材料、制备方法及其应用。
背景技术：
：随着社会科技的高速发展，警用装备技术也日益发达，其中，防弹衣是一种非常重要的警用装备，是战场中保护士兵的重要装备。防弹衣的材料主要是有：金属合金(特种钢、铝合金、钛合金)、陶瓷片(刚玉、碳化硼、碳化硅、氧化铝)、玻璃钢、尼龙(pa)、芳纶(如凯夫拉kevlar)、超高分子量聚乙烯纤维(uhmwpe)、非牛顿液体材料等等。防弹衣质量的优劣影响着穿着者的生命安全，改变防弹衣面料的加工方法对防弹衣性能有着重要的影响。防弹衣的种类也会因应用环境也有采用不同的类型。而防弹衣贴身层主要是为进一步提高人体前方保护，降低正面袭击而来的子弹的冲击波。现阶段，防弹衣贴身层材料主要是：芳纶层压、超高分子量聚乙烯层压等，或者芳纶以及超高分子量聚乙烯的复合材料。芳纶和超高分子量聚乙烯在生产防弹衣前需先做成纤维，然后用特殊的编织方法进行编织，形成布状，然后一层一层纤维布进行压制或者粘合。芳纶纤维是目前在防弹领域应用最广泛的高性能有机纤维之一，其高分子主链是由酰胺键对位连接在芳香环上的线性高聚物，分子链中的苯环和分子间的氢键作用使分子链难以旋转，分子链不能折叠，呈伸展的刚性棒状结构，分子链之间排列紧密，因此纤维具有很高的模量和强度，具有优异的防弹性能。而超高分子量聚乙烯纤维的比强度比芳纶纤维高35％，声波传递比较迅速，从而使得该复合材料在受到破片冲击时能量吸收较好，应力波传递也要优于其它纤维。面密度相同时，超高分子量聚乙烯纤维的防弹能力比芳纶复合材料高约25％，因此超高分子量聚乙烯纤维是目前防弹性能最好的高性能纤维，受到广泛关注。尽管超高分子量聚乙烯纤维具有优异的防弹性能，但是其不耐高温，超过一定的温度将发生热变形，失去功能。且难以进一步提高所制防弹衣的防弹性能。因此，设计开发一种能够提高警用防弹衣性能的贴身层复合材料非常有必要。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种高性能防弹衣贴身层复合材料，增强了无纬布的力学性能，改善了防弹衣的防弹性能和热学性能。本发明另一目的在于提供一种高性能防弹衣贴身层复合材料的制备方法，基于气凝胶形成原理和功能化碳纳米管的物理化学性能，制备得到高性能防弹衣贴身层复合材料。本发明最后一个目的在于提供一种高性能防弹衣贴身层复合材料的应用，用于制作警用防弹衣。本发明具体技术方案如下：一种高性能防弹衣贴身层复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)将羧基改性碳纳米管和陶瓷材料加入到固化树脂中，得到改性树脂；2)将步骤1)所得改性树脂与超高分子量聚乙烯纤维进行热压复合，得到改性超高分子量聚乙烯无纬布；3)将改性超高分子量聚乙烯无纬布浸入聚酰胺-胺类树形分子溶液中，浸渍后，进行冷冻干燥，得到表面生长有气凝胶的改性无纬布。步骤1)中，所述羧基改性碳纳米管，其羧基接枝率2-5wt％。步骤1)中所述的羧基改性碳纳米管和陶瓷材料的质量比为1：1-3。所述陶瓷材料为ti2alc陶瓷材料。所述羧基改性碳纳米管和陶瓷材料均为颗粒状，羧基改性碳纳米管径2-3μm，管壁厚度0.8-1.2nm，所述陶瓷材料厚度130-160nm。进一步的，所述羧基改性碳纳米管和陶瓷材料添加量之和为固化树脂质量的2-5％。所述固化树脂选自聚异丁烯或聚氨酯树脂。进一步的，步骤1)中，在50-80℃条件下，将羧基改性碳纳米管和陶瓷材料加入到固化树脂中搅拌，搅拌速率300-400转/分钟，匀速搅拌12-24小时，得到改性树脂。上述固化树脂常温为液态，为水性树脂，在50-80℃是为了提高两种无机材料的分散性能。步骤2)中，改性树脂质量为超高分子量聚乙烯纤维质量的17-22％。所述超高分子量聚乙烯纤维线密度为1500-1700dtex。步骤3)中所述改性超高分子量聚乙烯无纬布和聚酰胺-胺类树形分子溶液的质量比为1：30-50，所述聚酰胺-胺类树形分子溶液浓度为1％-5wt％。步骤3)中所述聚酰胺-胺类树形分子溶液为氨基末端第五代聚酰胺-胺(pamam)树状大分子(g5-nh2)水溶液。步骤3)中将改性超高分子量聚乙烯无纬布浸入30-50℃的聚酰胺-胺类树形分子溶液中，浸渍时间0.5-1小时；然后连同溶液一起冷冻干燥。步骤3)中所述冷冻干燥是指-40～-25℃条件下冷冻干燥处理36-48h。本发明提供的一种高性能防弹衣贴身层复合材料，采用上述方法制备得到。本发明提供的一种高性能防弹衣贴身层复合材料的应用，利用上述制备的高性能防弹衣贴身层复合材料制作防弹衣。本发明中，基于气凝胶形成原理和功能化碳纳米管的物理化学性能，提供的高性能防弹衣贴身层复合材料，其与传统防弹衣贴身层相比，具有如下优势：在超高分子量聚乙烯无纬布中加入了羧基化碳纳米管和纳米ti2alc陶瓷材料，由于纳米ti2alc陶瓷片材料均具有高硬度特性，增强了无纬布的力学性能，利用其特性将子弹弹丸击碎，消耗部分弹丸动能，并使得弹丸头部形状变钝，侵彻阻力增大起到防弹作用，而羧基化碳纳米管的添加能够与纳米ti2alc陶瓷片有机复合，能够均匀传递面料所受作用力，避免出现应力集中现象，进一步改善了防弹衣的防弹性能；在超高分子量聚乙烯无纬布中加入了纳米ti2alc陶瓷片材料和碳纳米管两种无机纳米材料，在子弹射到无纬布表面时，织物会产生大量热量，上述两种无机纳米材料的热传导系数较大，能够迅速转移热量，避免由于局部过热导致无纬布有所损伤而使其防弹性能下降，因此添加两种无机纳米粒子能够提高无纬布的热学性能，避免由于子弹摩擦产生的热量对无纬布的损伤；另外，本发明在防弹衣贴身层材料表面增加了一层树状高分子气凝胶，当子弹击打在无纬布表面时，会造成极大的穿透力，同时也会产生震动，这种树状高分子气凝胶由于其像树枝状的结构特性，其能够快速吸收子弹冲击产生的振动波，从而减少对人体的伤害，因此提高了材料的吸波性能，增加了防弹衣的抗子弹冲击性能，降低了对人体的伤害。附图说明图1羧基改性碳纳米管和ti2alc陶瓷材料添加比例对v50值影响；图2碳纳米管羧基接枝率与v50值之间的关系。具体实施方式实施例1一种高性能防弹衣贴身层复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)在80℃温度、常压条件下将羧基接枝率3％的羧基改性碳纳米管和ti2alc陶瓷材料加入聚氨酯树脂中，磁力搅拌速率400转/分钟，匀速搅拌12小时，形成均匀一致的改性树脂；保持羧基改性碳纳米管和ti2alc陶瓷材料两者的添加总量为聚氨酯树脂的2％。2)将改性树脂与超高分子量聚乙烯纤维进行热压复合，得到改性超高分子量聚乙烯无纬布；改性树脂占超高分子量聚乙烯纤维重量的20wt％，超高分子量聚乙烯纤维线密度为1600dtex。3)随后将得到的改性超高分子量聚乙烯无纬布浸入50℃的氨基末端第五代聚酰胺-胺(pamam)树状大分子(g5-nh2)水溶液中，溶液浓度为5wt％，改性超高分子量聚乙烯无纬布与水溶液质量比为1:30，浸泡时间1小时；然后连同溶液在-25℃条件下冷冻干燥36h，得到表面生长有气凝胶的改性无纬布，即性能防弹衣贴身层复合材料。实施例1中改变羧基接枝率3％的羧基改性碳纳米管和ti2alc陶瓷材料的质量比，其他工艺和参数相同，得到6组不同的高性能防弹衣贴身层复合材料，参考gjb4300的测试方法测试v50值，结果如下表1所示。表1羧基改性碳纳米管和ti2alc陶瓷材料不同添加比例时改性无纬布的v50值v50值是指特定射体对靶片穿透概率为50％时的平均着靶速度，v50值能够反应材料的防弹性能。由表1数据可知，随着ti2alc陶瓷材料含量的增加，改性无纬布的v50值显著增加，这表明ti2alc陶瓷材料能够显著提升无纬布的防弹性能。当仅含有羧基改性碳纳米管时，其v50值显著低于ti2alc陶瓷材料改性无纬布的v50值，这主要是因为碳纳米管表面被接枝了羧酸基团，在一定程度上破坏了碳纳米管的规整结构，其力学性能有所降低。另一方面，羧基改性碳纳米管和ti2alc陶瓷材料的添加能够提高无纬布的热力学性能。当无纬布不含羧基改性碳纳米管或ti2alc陶瓷材料时，其v50值仅有250.9m/s，这表明通过添加羧基改性碳纳米管或ti2alc陶瓷材料能够显著增加防弹衣的防弹性能。此外，值得说明的是，羧基化碳纳米管的添加能够在无纬布表面增加羧基，能够与树状大分子化合物通过氢键等化学键发生作用，在冷冻干燥条件下形成气凝胶，这能够吸收子弹撞击无纬布时产生的余波，从而达到提高防弹性能的目的。而ti2alc陶瓷材料表面没有功能性基团，因此当仅添加ti2alc陶瓷材料时，无纬布不能与树状大分子化合物形成气凝胶，这不利于面料防弹性能的提升。实施例2一种高性能防弹衣贴身层复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)在80℃温度、常压条件下将羧基改性碳纳米管和ti2alc陶瓷材料按照1：2的质量比加入聚氨酯树脂中，磁力搅拌速率400转/分钟，搅拌12h，羧基接枝率3％的羧基改性碳纳米管和ti2alc陶瓷材料两者的添加总量为固化树脂的2％，形成均匀一致的改性树脂。2)将改性树脂与超高分子量聚乙烯纤维进行热压复合，改性树脂占超高分子量聚乙烯纤维重量的20wt％，超高分子量聚乙烯纤维线密度为1600dtex，得到改性超高分子量聚乙烯无纬布。3)随后将得到的改性超高分子量聚乙烯无纬布浸入50℃的氨基末端第五代聚酰胺-胺(pamam)树状大分子(g5-nh2)水溶液中，溶液浓度为5wt％，改性超高分子量聚乙烯无纬布和聚酰胺-胺类树形分子溶液的质量比为1：30，浸泡时间1小时，然后连同溶液进行-25℃冷冻干燥36h，得到表面生长有气凝胶的改性无纬布。实施例2中改变羧基改性碳纳米管的羧基接枝率，其他工艺和参数相同，得到5组不同的高性能防弹衣贴身层复合材料，参考gjb4300的测试方法测试v50值，结果如下表2所示。表2不同羧基接枝率改性碳纳米管改性无纬布的v50值羧基接枝率0％2％3％4％5％v50值(m/s)505.3560.9580.0550.3500.7由表2数据可知，随着羧基接枝率的增加，改性无纬布的v50值出现先增大后减小的趋势。这是因为当羧基含量增加时，碳纳米管的结构被破坏严重，力学性能下降较大。当接枝率为3％时，其通过与树状大分子化合物形成气凝胶结构后能够提升防弹复合材料的防弹性能。继续增加羧基含量并不能提高其v50值。对比例1一种高性能防弹衣贴身层复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)在80℃温度、常压条件下将羧基改性碳纳米管和ti2alc陶瓷材料按照1：2的质量比加入聚氨酯树脂中，磁力搅拌速率400转/分钟，搅拌12h，羧基接枝率3％的羧基改性碳纳米管和ti2alc陶瓷材料两者的添加总量为固化树脂的2％，形成均匀一致的改性树脂。2)将改性树脂与超高分子量聚乙烯纤维进行热压复合，得到改性超高分子量聚乙烯无纬布。对比例1中不进行实施例中步骤3)(即无气凝胶生成)，其他工艺和参数相同，得到不含气凝胶的高性能防弹衣贴身层复合材料，参考gjb4300的测试方法测试v50值，结果如下表3所示。表3气凝胶对无纬布的v50值影响气凝胶有无v50值(m/s)580.0458.6由表3数据可知，改性无纬布表面生长有气凝胶的v50值显著高于无气凝胶的改性无纬布。这是因为在无纬布表面增加了一层具有树状结构特性的高分子气凝胶，当子弹击打在无纬布表面时，其能够快速吸收子弹冲击产生的振动波并分散至无纬布各个点和面，从而增加了防弹衣的抗子弹冲击性能，提高了v50值。当前第1页1 2 3 

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